Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les propriétés caractéristiques de la substance reconnue. Les molécules forment des agrégats atomiques liés par des forces de valence (liaisons covalentes) et elles conservent leur individualité physique. Des forces plus faibles, telles les liaisons hydrogène et celles de type Van der Waals, les maintiennent à proximité les unes des autres à l'état liquide et solide.

L'assemblage d'atomes constituant une molécule n'est pas définitif, il est susceptible de subir des modifications, c'est-à-dire de se transformer en une ou plusieurs autres molécules ; une telle transformation est nommée réaction chimique. Par contre, les atomes qui la forment sont des assemblages (de particules) bien plus stables, qui se conservent durant une réaction chimique car la transformation d'atomes, nommée transmutation, nécessite des apports d'énergie bien plus importants faisant l'objet des réactions nucléaires.

La composition chimique d'une molécule est donnée par sa formule chimique. Exemples :

• la molécule de méthane CH₄ est constituée d'un atome de carbone (C) et de quatre atomes d'hydrogène (H)  ;
• la molécule de dioxygène O₂ est constituée de deux atomes d'oxygène (O).

Histoire du concept et étymologie

Le nom «molécule» provient du latin scientifique molecula, diminutif du nom latin moles, se traduisant par «masse».

Le concept de molécule a été présenté la première fois en 1811 par Amedeo Avogadro, qui a su surmonter la confusion faite à cette époque entre atomes et molécules, à cause des lois des proportions définies et multiples de John Dalton (1803-1808).

L'analyse d'Avogadro a été acceptée par énormément de chimistes, à des exceptions notables (Boltzmann, Maxwell, Gibbs). Mais l'existence des molécules est restée en discussion ouverte dans la communauté scientifique jusqu'au travail de Jean Perrin (1911) qui a alors confirmé expérimentalement l'explication théorique du mouvement brownien en termes d'atomes proposée par Albert Einstein (1905). Jean Perrin^[1] a aussi recalculé le nombre d'Avogadro par plusieurs méthodes.

Types spécifiques de molécules

• Une molécule élémentaire ou homonucléaire est une molécule constituée d'un seul type d'atomes, par exemple le dioxygène (O₂). Quand une molécule se compose de plusieurs types d'atomes, elle est dite hétéronucléaire.

• Une molécule polaire ou apolaire est respectivement une molécule ayant un moment dipolaire résultant non nul (cas de la molécule d'eau) ou nul.

• Une molécule hydrophile ou hydrophobe est une molécule qui a de l'affinité pour l'eau ou qui fuit l'eau (non soluble ou non miscible avec l'eau), respectivement.

• Une molécule amphiphile est une molécule ayant une ou plusieurs parties hydrophiles et une ou plusieurs parties hydrophobes.

• En appliquant strictement la définition, les ions polyatomiques ne sont pas des molécules. Par contre, les zwitterions, globalement neutres mais possédant des charges de signe opposé dans différentes parties de leur structure, sont des molécule.

• Une molécule marquée est une molécule dans laquelle un ou plusieurs atomes sont remplacés par un de leurs isotopes. Cette pratique est courant avec des isotopes radioactifs, dans un but médical.

• Une molécule activée (ou excitée) est une molécule qui contient un ou plusieurs atomes excités, atomes dont un ou plusieurs électrons se trouvent à des niveaux d'énergie plus élevés que celui de l'état essentiel.

• Deux molécules sont dites isoélectroniques si elles ont même configuration électronique de valence.

• Molécule médicamenteuse : on nomme abusivement molécule la substance active d'un médicament (par opposition à son nom de marque), lorsque bien même la substance active se compose de plusieurs espèces chimiques différentes (exemple : cas de la gentamicine). Il est préférable de parler de substance active ou de principe actif.

Caractéristiques

Ordonnancement

Les molécules d'un corps sont en agitation permanente (sauf au zéro absolu). Cette agitation, nommée mouvement brownien, a été décrite la première fois par Robert Brown en 1821 dans les liquides (mais expliquée presque 100 ans plus tard).

• À l'état gazeux, les molécules sont particulièrement espacées, particulièrement agitées, avec des mouvements désordonnés génèrés par les chocs entre elles ou avec les corps solides avec lesquelles elles sont en contact (parois).

• À l'état liquide, l'espace entre les molécules est bien plus restreint, l'agitation bien plus lente.

• À l'état solide, les molécules sont rangées selon un empilement, régulier ou non, et vibrent autour d'une position moyenne.

La température d'un corps donne une indication du degré d'agitation des molécules.

Les forces d'interaction de très faible intensité qui s'exercent à distance entre les molécules, nommées forces de van der Waals, conditionnent ces arrangements et donc les propriétés physiques des composés moléculaires.
Ainsi, par exemple, les propriétés physiques exceptionnelles de l'eau sont dues pour énormément aux liaisons hydrogène.

Stabilité

Les molécules sont des ensembles a priori électriquement neutres, dans lesquels les atomes sont liés entre eux surtout par des liaisons covalentes (il existe de nombreux exemples d'assemblages supra-moléculaires par liaisons de type Van der Waals, hydrogène ou ionique), où apparaissent quelquefois des dissymétries électroniques pouvant aller jusqu'à donner des ions par solvatation (solvants polaires). Par conséquent, on doit conclure que le dihydrogène (H₂), le dichlore, le difluor et tant d'autres gaz diatomiques, sont électriquement neutres. Ce qui laisse entendre que quand ils sont isolés, ils sont zérovalents, pour respecter l'équivalence qu'il doit y avoir dans toute équation équilibrée en charges et globalement neutre comme : 2 H₂ + O₂ = 2H₂O. Ici, dans la partie des réactants, le dihydrogène et le dioxygène sont des molécules isolées et par conséquent n'ont pas de charge propre, comme H₂O (bien que molécule polaire). L'équation chimique vérifie par conséquent la neutralité de la charge globale.

La forme et la taille d'une molécule (ou de l'une de ses parties) peut jouer un rôle dans son aptitude à réagir. La présence de certains atomes ou groupes d'atomes à l'intérieur d'une molécule joue un rôle majeur dans sa capacité à se rompre ou à fixer d'autres atomes issus d'autres corps, c'est-à-dire à se transformer pour donner naissance à d'autres molécules.

Les différents modes de représentation des molécules sont conçus pour expliciter les différents sites réactifs ; certains enchaînements d'atomes, nommés groupes fonctionnels, produisent ainsi des similitudes de propriétés, tout spécifiquement dans les composés organiques.

Les macromolécules et polymères

Les molécules possédant au moins plusieurs dizaines d'atomes sont nommées macromolécules ou polymères.

Exemples :

• les protéines, les lipides, les sucres, les acides nucléiques tels l'ADN et autres biomolécules de grandes tailles sont aussi des macromolécules où la grande variété des liaisons chimiques internes induisent une réactivité chimique fréquemment particulièrement sélective jouant un rôle majeur dans l'activité biologique des êtres vivants ;
• les polyoléfines telles le polyéthylène (polymère synthétique) sont constituées d'enchaînements -C-C- ; le nombre d'atomes de carbone des chaînes peut atteindre plusieurs dizaines de milliers (correspondant à un degré de polymérisation élevé), d'où des propriétés physiques spécifiques.

Les corps non moléculaires

Il existe deux autres grandes catégories de corps purs non moléculaires :

• les métaux, qui contiennent une seule sorte d'atomes tous liés les uns aux autres par mise en commun globale et délocalisée d'électrons, nommée liaison métallique ;
• les composés ioniques qui regroupent des atomes (ou groupement d'atomes) dont certains supportent un excès d'électrons (anions) répartis parmi d'autres acceptant un déficit d'électrons (cations). La cohésion de la totalité est alors assurée par les forces électriques présentes à l'origine des liaisons ioniques.

Dans l'espace interstellaire

Les couches externes des étoiles contiennent, malgré les températures extrêmes qui y règnent, des molécules, telles le monoxyde de carbone. Les comètes et les atmosphères gazeuses des planètes contiennent une plus grande variété de molécules.

Dans l'espace interstellaire, où la probabilité de rencontre entre atomes est particulièrement faible, il existe des assemblages instables (radicaux) d'une diversité restée longtemps inconnue qui est peut-être à l'origine des premières molécules du monde du vivant.

Le niveau moléculaire

La structure des organismes biologiques qui forment la biosphère peut être décomposée en plusieurs niveaux d'organisation : atomique, moléculaire, cellulaire, tissulaire, organique, des systèmes, et enfin celui de l'organisme dans sa totalité fonctionnelle.

L'étude scientifique du vivant se fait par des recherches sur les éléments de chacun de ces niveaux, puis par la compréhension des interactions entre ces différents niveaux (voir l'article Méthode scientifique).

L'étude du niveau des molécules sert à comprendre le fonctionnement de la cellule, qui est l'unité fonctionnelle élémentaire du vivant.

Notes et références

Voir aussi

Liens externes

• Vidéo en 3D, vulgaris-medical. com
• (fr) Site éducatif sur la chimie

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